晶闸管

Thyristor / Silicon Controlled Rectifier也称 SCR、硅可控整流器、可控硅

以PNPN再生反馈在阻断与导通之间切换的双极型功率开关。

进阶出处 2 份资料

报告问题

速览

约 1 分钟

以PNPN再生反馈在阻断与导通之间切换的双极型功率开关。

系统理解

约 2 分钟

常规单向SCR由四层半导体形成三个结。门极注入可启动两个等效双极晶体管之间的正反馈，导通后外部负载决定主电流。基区电导调制有助于导通，却留下储存电荷；撤去门极脉冲不等于关断。

在PN结和双极型晶体管之后，理解四层再生开关，再区分触发、锁定、保持与换流。

关键参数

关键参数
参数	单位	含义
阻断电压	V	指定极性和条件下允许的阻断电压
导通电流	A	与热及脉冲条件绑定的主电流

常见误区

SCR不是四个独立串联二极管
门极撤压不等于可靠关断
转折前反馈式不能用于求无限导通电流

工程深入

12 条结论 · 1 道例题

结构与阻断状态

定义

本页的晶闸管限定为常规单向SCR

晶闸管是具有双稳态开关特性的器件家族；本页以常规三端单向硅可控整流器SCR为对象，不把双向晶闸管或可门极关断的GTO视为具有完全相同的控制方式。^{1, 2}

成立条件 讨论常规SCR，具体额定值以型号资料为准

定义

PNPN结构的三个端子连接不同层

常规SCR由PNPN四层及三个PN结组成；阳极连接外侧P层，阴极连接外侧N层，门极连接靠近阴极的内侧P层。四层结构不是四个相互独立的串联二极管。^{1, 2}

成立条件 按从阳极至阴极的PNPN顺序标记；讨论常见P门极SCR结构

机制

正向阻断时主要由中央结承担反向电压

阳极相对阴极为正而器件仍关断时，外侧两个结正偏，中央结J2反偏并承担大部分端电压；因此正向加压本身并不等同于已经进入低阻导通。^{1, 2}

成立条件 未达到正向转折或瞬态误触发条件；采用一维结偏置图像

边界

反向阻断能力取决于结构而不是SCR名称

常规对称阻断结构在阳极为负时由外侧结反偏阻断；非对称结构的反向额定电压可能明显不同。不能从“SCR”名称推定正反向耐压必然相等。^{1, 2}

成立条件 区分对称与非对称阻断型号；不得用正向额定电压代替反向额定电压

再生反馈为何形成开关

机制

两个双极晶体管通过相互供给基极电流形成正反馈

把PNPN分解为耦合的PNP与NPN后，一个晶体管的集电极电流成为另一个的基极驱动，后者又反馈增强前者。门极注入能够启动这种再生过程，而不是单独承担全部阳极电流。^{1, 2}

成立条件 两晶体管等效用于解释反馈，不能替代全部空间分布；增益随电流、温度和结构变化

公式

转折前的两晶体管模型把漏电和门极注入共同放大

在两管共基极直流增益之和小于1时，阳极电流可由门极注入项与两管漏电项除以剩余反馈裕量估计；该式只描述转折前模型，不能在分母为零处解释成真实无限电流。¹

I_A=\frac{\alpha_2 I_G+I_{\mathrm{CO}1}+I_{\mathrm{CO}2}}{1-\alpha_1-\alpha_2}

I_A: 阳极电流，单位 A
I_G: 门极电流，单位 A
α₁、α₂: 等效PNP和NPN的共基极直流电流增益
I_CO1、I_CO2: 两等效晶体管的集电结漏电项，单位 A

成立条件 α₁+α₂<1，讨论转折前静态近似；α随电流变化；例题仅在指定点把它们视为已知参数

例题：动手算一次教学假设，可复算

教学模型：在转折前指定工作点取α₁=0.40、α₂=0.45、I_G=20 μA，两漏电项各1.0 μA，估计阳极电流。

已知

所有参数均为教学假设，不对应实物型号
α₁+α₂=0.85<1，采用转折前等效模型

步骤

α₂I_G + I_CO1 + I_CO2 = 0.45×20 + 1 + 1 = 11 μA，合计反馈模型的分子。
1 − α₁ − α₂ = 0.15，计算仍为正的反馈裕量。
I_A = 11/0.15 μA = 73.333… μA ≈ 73 μA，求转折前模型中的阳极电流。

结果模型估计约73 μA。

较小注入和漏电会受到反馈放大。

不能外推到 这不是已锁定导通态计算，不能据此预测负载电流或实物触发阈值。

边界

反馈逼近再生条件意味着状态转换而非线性放大继续成立

当载流子注入提高有效反馈增益，器件可由高阻状态转入低阻状态。转折之后需要改用导通态与外部电路共同求解，不能继续把转折前的小电流公式外推。^{1, 2}

成立条件 准静态两管图像；瞬态还需电荷与增量增益分析

导通状态与工程代价

机制

导通态的双载流子注入降低基区电阻

导通后电子和空穴注入轻掺杂区域，改变基区的导电能力，使器件获得低阻大电流通路。这种电导调制同时伴随过剩电荷储存，关断不能只当作撤去一个控制电压。¹

成立条件 讨论双极注入的常规功率SCR；导通压降仍随电流、温度及器件结构变化

机制

门极脉冲退出后能否保持导通由主回路状态决定

SCR一旦完成锁定，正反馈可使主电流在门极脉冲结束后继续流动；门极不是像串联控制电阻那样持续决定全部导通电流。锁定与保持的具体电流条件应分别检查。^{1, 2}

成立条件 必须已达到锁定条件；不能把门极电流归零作为普通SCR可靠关断指令

边界

负载必须限制导通电流

转入低阻态后主电流由电源、负载和器件压降共同决定；若外部回路不能限制电流，低阻导通可演变为过流损坏。阻断额定电压不是过流保护能力。¹

成立条件 需同时核查连续电流、浪涌、热与开通速率条件

边界

轻掺杂厚基区有利于耐压却增加载流子动态代价

为承受高阻断电压，基区通常较厚且较轻掺杂；更长的输运和储存过程会牵涉开通与关断时间。因此耐压、导通损耗及开关速度需要共同设计，而不是只提高一个静态额定值。¹

成立条件 只说明结构趋势，不给所有型号套用同一个比例关系

边界

终端形状决定局部电场不能只检查体材料耐压

结边缘的曲率和终端几何会使局部电场先达到限制，斜面等终端措施用于管理表面电场。评价高压SCR必须把体区与边缘终端一起考虑。¹

成立条件 定性结构原则；斜面角和掺杂须按具体结设计；不把某个示意斜面方案当作所有极性结的通用最优解

出处

2 份资料 · 19 处引用

1
Physics of Semiconductor Devices
S. M. Sze, Yiming Li, Kwok K. Ng · 第4版 · 2021
- 第 11 章 §11.2开头、§11.3.1；PDF第1049、1081页；印刷页范围650–669（出版社章节目录范围，重排PDF不作逐页印刷映射） 支持：本页的晶闸管限定为常规单向SCR
- 第 11 章 §11.2、图1；PDF第1049页；印刷页范围650–669（出版社章节目录范围，重排PDF不作逐页印刷映射） 支持：PNPN结构的三个端子连接不同层
- 第 11 章 §11.2.2、图8；PDF第1057页；印刷页范围650–669（出版社章节目录范围，重排PDF不作逐页印刷映射） 支持：正向阻断时主要由中央结承担反向电压
- 第 11 章 §11.2.1；PDF第1051–1053页；印刷页范围650–669（出版社章节目录范围，重排PDF不作逐页印刷映射） 支持：反向阻断能力取决于结构而不是SCR名称
- 第 11 章 §11.2.2、图8、式(5)；PDF第1057–1058页；印刷页范围650–669（出版社章节目录范围，重排PDF不作逐页印刷映射） 支持：两个双极晶体管通过相互供给基极电流形成正反馈
- 第 11 章 §11.2.2、式(5)；PDF第1058页；印刷页范围650–669（出版社章节目录范围，重排PDF不作逐页印刷映射） 支持：转折前的两晶体管模型把漏电和门极注入共同放大
- 第 11 章 §11.2.2、式(5)及增量增益讨论；PDF第1058、1063–1065页；印刷页范围650–669（出版社章节目录范围，重排PDF不作逐页印刷映射） 支持：反馈逼近再生条件意味着状态转换而非线性放大继续成立
- 第 11 章 §11.2.3、§11.2.4；PDF第1067–1071、1077页；印刷页范围650–669（出版社章节目录范围，重排PDF不作逐页印刷映射） 支持：导通态的双载流子注入降低基区电阻
- 第 11 章 §11.2.2、§11.3.1；PDF第1057–1058、1081页；印刷页范围650–669（出版社章节目录范围，重排PDF不作逐页印刷映射） 支持：门极脉冲退出后能否保持导通由主回路状态决定
- 第 11 章 §11.2.3开头；PDF第1067页；印刷页范围650–669（出版社章节目录范围，重排PDF不作逐页印刷映射） 支持：负载必须限制导通电流
- 第 11 章 §11.2结构、§11.2.4；PDF第1049、1077–1079页；印刷页范围650–669（出版社章节目录范围，重排PDF不作逐页印刷映射） 支持：轻掺杂厚基区有利于耐压却增加载流子动态代价
- 第 11 章 §11.2.1、图4–7；PDF第1053–1057页；印刷页范围650–669（出版社章节目录范围，重排PDF不作逐页印刷映射） 支持：终端形状决定局部电场不能只检查体材料耐压
查看这个来源 →
2
AN4607: Basics on the thyristor (SCR) structure and its application
STMicroelectronics · 2018
- AN4607 Rev 2，§1；PDF第2–3页（与印刷页一致） 支持：本页的晶闸管限定为常规单向SCR；门极脉冲退出后能否保持导通由主回路状态决定
- AN4607 Rev 2，§1；PDF第2页（与印刷页一致） 支持：PNPN结构的三个端子连接不同层；两个双极晶体管通过相互供给基极电流形成正反馈；反馈逼近再生条件意味着状态转换而非线性放大继续成立
- AN4607 Rev 2，§1；PDF第3页（与印刷页一致） 支持：正向阻断时主要由中央结承担反向电压；反向阻断能力取决于结构而不是SCR名称
查看这个来源 →

关键参数

常见误区

结构与阻断状态

#本页的晶闸管限定为常规单向SCR

#PNPN结构的三个端子连接不同层

#正向阻断时主要由中央结承担反向电压

#反向阻断能力取决于结构而不是SCR名称

再生反馈为何形成开关

#两个双极晶体管通过相互供给基极电流形成正反馈

#转折前的两晶体管模型把漏电和门极注入共同放大

已知

步骤

#反馈逼近再生条件意味着状态转换而非线性放大继续成立

导通状态与工程代价

#导通态的双载流子注入降低基区电阻

#门极脉冲退出后能否保持导通由主回路状态决定

#负载必须限制导通电流

#轻掺杂厚基区有利于耐压却增加载流子动态代价

#终端形状决定局部电场不能只检查体材料耐压

Physics of Semiconductor Devices

AN4607: Basics on the thyristor (SCR) structure and its application